在碳链合成方面，我们已经进行了超过十年的深入研究，取得了一系列的研究成果。如，2011年报道了在双壁碳纳米管中进行的碳链合成（Shi L., et al. Nano Research, 4, 759-766, 2011）；合成了世界最长碳链（Shi L., et al. Nature Materials, 15, 634-639, 2016）、合成了性能可控的一维碳链（Shi L., et al. Nano Letters, 21, 1096–1101, 2021）、首次合成同位素标记的碳链（Cui W., et al. Angewandte Chemie-International Edition, 60, 9897–9901, 2021）、激光原位加热合成长度可控碳链（Shi L., et al. Carbon, 182, 348–353, 2021），等等。近期，我们和维也纳大学等单位的研究人员合作，通过同位素标记设计重点研究了碳链的形成机理，为可控合成碳链提供了新思路，相关文章发表于Advanced Functional Materials。
一维碳链在碳纳米管中限域合成的形成机理一直以来都是可控合成碳链中的一个关键科学问题，然而目前尚没有相关的研究来回答这一疑问。针对这一问题，我们通过设计实验过程，进行了详细的研究，确定了一维碳链形成的碳源既可能是来自双壁碳纳米管的内管，也可能来源于外管，并实验首次证实了双壁碳纳米管的内外管之间有碳原子交换。如图所示，首次，我们采用同位素13C含量为81%的富勒烯C60为前驱体分子，填充进入自然丰度（1.1%）的单壁碳纳米管中。其次，利用高温退火，将C60转化为内层碳纳米管，也就是形成了一个内层管13C含量接近80%、外层管为自然丰度的双壁碳纳米管。然后，我们发现直接将这样的双壁碳纳米管进行高温高真空热处理，并不能生长出碳链，而仅能观察到双壁碳纳米管之间的碳原子交换。因此，我们将得到的双壁碳纳米管在空气中进行氧化处理，在双壁碳纳米管的内外层引入了大量的缺陷，之后再进行高温高真空热处理，长出了13C同位素标记的碳链，并且同位素标记的含量达到了28.8%，创造了新的记录。同时，对于各个步骤中样品的拉曼光谱进行分析发现，正是由于氧化过程制造了新的碳源，促进了内外层碳原子之间的交换，导致了碳链的形成。这就提示我们，要想提高碳链产率，不仅要关注填充分子本身的性质，还要对碳纳米管本身做相应的优化处理，才能最大限度地提高合成碳链的产率，这也为未来可控合成碳链提供了新思路。
相关的研究成果以“Ultra-clean isotope engineered double-walled carbon nanotubes as tailored hosts to trace the growth of carbyne”为题发表在Advanced Functional Materials。维也纳大学的崔玮丽博士为论文第一作者和共同通讯作者，中山大学的石磊副教授为共同通讯作者，维也纳大学的Thomas Pichler教授为共同通讯作者。布达佩斯技术与经济大学的Ferenc Simon教授、维也纳大学的Paola Ayala教授和中山大学的张一帆博士为论文的共同作者。该研究工作部分受到国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金的支持。
论文信息：Weili Cui,* Ferenc Simon, Yifan Zhang, Lei Shi,* Paola Ayala, Thomas Pichler*. Ultra-clean isotope engineered double-walled carbon nanotubes as tailored hosts to trace the growth of carbyne. Advanced Functional Materials, 2206491 (2022)
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202206491
